Einführung
Das menschliche Gehirn ist ein faszinierendes Organ, das zu hochkomplexen Leistungen fähig ist. Eine dieser Leistungen ist die selektive Informationsverarbeitung, bei der sich das Gehirn auf relevante Informationen konzentriert und störende Reize unterdrückt. Neurowissenschaftliche Forschung untersucht, wie Nervenzellen zusammenarbeiten, um Informationen zu verarbeiten und wie diese Prozesse unsere Wahrnehmung und unser Verhalten beeinflussen.
Neuronale Grundlagen der Informationsverarbeitung
Nervenzellen und Synapsen
Unser Nervensystem besteht aus etwa 100 Milliarden Nervenzellen, die miteinander durch Synapsen verbunden sind. An diesen Synapsen werden Signale in Form von Botenstoffen übertragen. Die Nervenzellen besitzen eine Antennenregion, die durch den Zellkörper und dessen Fortsätze (Dendriten) gebildet wird. Hier empfangen die Zellen Signale von anderen Neuronen. Diese Signale werden dann verrechnet und durch ein „Kabel“, das Axon, in Form von elektrischen Impulsen weitergeleitet.
Synaptische Übertragung
In der Senderregion verzweigt sich das Axon und bildet Kontaktstellen aus, die Synapsen, an denen die Signale auf andere Nervenzellen übertragen werden. Dort werden die aus dem Axon eintreffenden elektrischen Impulse in chemische Signale umgewandelt. Die Information fließt dabei nur in einer Richtung: Eine Zelle "redet", die andere "hört zu". Die präsynaptischen Nervenenden enthalten die als Neurotransmitter bezeichneten Signalmoleküle, die in kleinen membranumschlossenen Vesikeln gespeichert sind.
Wenn ein elektrisches Signal im Nervenende eintrifft, werden Calcium-Kanäle in der Plasmamembran aktiviert, durch die Calcium-Ionen vom Außenraum in das Innere der Synapse strömen. Diese Calcium-Ionen aktivieren eine molekulare Maschine, die sich zwischen der Membran der Vesikel und der Plasmamembran befindet. Diese Maschine bewirkt, dass die Membran der Vesikel, die sich in der Startposition befinden, mit der Plasmamembran verschmilzt. Auf der anderen Seite des synaptischen Spaltes treffen die Botenstoffe auf Andockstellen in der Membran des Empfänger-Neurons, die die elektrischen Eigenschaften dieser Membran regulieren. Dadurch ändert sich der Membranwiderstand. Die Empfängerzelle kann die Spannungsänderung, die dadurch entsteht, in einem rasanten Tempo verarbeiten. Zwischen dem Eintreffen des Impulses bis zur Spannungsänderung auf der anderen Seite des synaptischen Spalts vergeht nur etwa eine tausendstel Sekunde. Damit stellt die synaptische Übertragung einen der schnellsten biologischen Vorgänge dar.
Die Rolle der synaptischen Vesikel
Die synaptischen Vesikel sind keineswegs nur eine Art membranumhüllte „Konservendose“ zur Speicherung der Botenstoffe. In ihrer Membran befindet sich eine ganze Reihe von Proteinen. Eine Gruppe dieser Proteine, die Neurotransmitter-Transporter, ist dafür verantwortlich, die Botenstoffe aus dem Zellplasma in die Vesikel hineinzupumpen und dort anzureichern. Dazu ist viel Energie erforderlich. Diese wird von einem weiteren Proteinmolekül bereitgestellt, einer Protonen-ATPase (V-ATPase), die unter Verbrauch von Adenosintriphosphat (ATP) Protonen in die Vesikel hineinpumpt. Neben diesen für das „Auftanken“ erforderlichen Proteinen enthalten die Membranen synaptischer Vesikel weitere Komponenten, die dafür sorgen, dass die Vesikel mit der Plasmamembran verschmelzen können (darunter das SNARE-Protein Synaptobrevin und den Calcium-Sensor Synaptotagmin) und nach der Membranfusion wieder in das Nervenende zurücktransportiert werden. Die synaptische Vesikel werden anschließend im Nervenende über einige Zwischenschritte wieder recycelt und neu mit Botenstoffen befüllt.
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Forschung zu synaptischen Vesikeln
Die Funktionsweise der synaptischen Vesikel auf molekularer Ebene zu verstehen, ist eine aufwendige Arbeit. Wissenschaftler haben ein umfassendes Inventar aller Vesikelbestandteile erstellt. Dabei mussten Probleme gelöst werden, die keineswegs so einfach waren, wie man annehmen möchte, z. B. das Auszählen der Vesikel in einer Lösung oder die quantitative Bestimmung des Gehaltes von Proteinen und Membranlipiden. Die Ergebnisse waren auch für Experten überraschend. So stellte sich heraus, dass ein biologisches Transportvesikel in seiner Struktur viel stärker durch Proteine bestimmt wird als zuvor angenommen.
Diese Arbeiten bildeten die Grundlage zu weiterführenden Untersuchungen. So ist es gelungen, Vesikel, die unterschiedliche Botenstoffe transportieren, voneinander zu trennen und miteinander zu vergleichen. Anders als vorher vermutet, unterscheiden sie sich nur geringfügig in ihrer Zusammensetzung. Ein zweiter Schwerpunkt der Forschung besteht darin, die Proteinmaschine, die die Membranfusion bewerkstelligt, in ihren funktionellen Details zu verstehen. Für die Fusion selber sind SNARE-Proteine verantwortlich - kleine Proteinmoleküle, die in der Plasmamembran wie in der Vesikelmembran sitzen. Kommen die Membranen nahe aneinander, lagern sich die dieser Proteine aneinander, wobei sie sich in Richtung der Membran wie Taue miteinander verdrillen. Bei dieser Zusammenlagerung wird Energie freigesetzt, die für das Verschmelzen der Membranen benutzt wird. Um zu verstehen, wie diese Zusammenlagerung die Verschmelzung der Membranen bewirkt, wurden die SNARE-Proteine in künstliche Membranen eingebaut, an denen man die Fusion mit hochauflösenden Methoden, darunter der Kryo-Elektronenmikroskopie, untersuchen konnte. Dabei wurden erstmalig Zwischenstufen der Fusionsreaktion identifiziert. Fortschritte sind ebenfalls bei der Frage erzielt worden, wie die einströmenden Calcium-Ionen die Fusionsmaschine aktivieren.
Trotz großer Fortschritte sind die komplexen molekularen Prozesse immer noch nicht vollständig verstanden: Umso erstaunlicher ist es, wie reibungslos Nervenzellen miteinander kommunizieren, wie effektiv die Fusionsmaschinerie in der Synapse funktioniert, bei jeder unserer Bewegungen, in unserem Fühlen und Denken. Deshalb forschen Wissenschaftler auf der ganzen Welt weiterhin daran, diese Prozesse noch besser zu verstehen.
Selektive Informationsverarbeitung
Neurowissenschaftler der Universität Bremen konnten den Mechanismus hinter der selektiven Informationsverarbeitung nachweisen. Sie zeigten, dass es nicht nur auf den Inhalt einer Information ankommt, sondern entscheidend ist, ob sie im richtigen Moment auf aufnahmebereite und aktive Nervenzellen trifft.
Das Gehirn als Empfänger: Neurotheologische Perspektiven
Die Suche nach dem "Gottesmodul"
Einige Wissenschaftler haben versucht, religiöse Erfahrungen in bestimmten Hirnarealen zu verorten. Andrew Newberg von der University of Pennsylvania in Philadelphia führte Experimente mit tibetischen Buddhistenmönchen und amerikanischen Franziskanernonnen durch. Er hielt die Gehirnfunktionen seiner Versuchspersonen mit einer SPECT-Kamera fest. Die Aufnahmen zeigten eine ungewöhnliche Aktivität in einem kleinen Klumpen grauer Materie im oberen hinteren Abschnitt des Gehirns, dem oberen Scheitellappen. Die Versuchspersonen erlebten diesen Vorgang als Aufhebung der Trennung von Selbst und Welt, als Gefühl, eins zu sein mit dem Unendlichen.
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Michael Persinger von der Laurentian University im kanadischen Sudbury erregte Aufsehen mit einem umgebauten Motorradhelm, der im Gehirn seiner Versuchspersonen ein Magnetfeld erzeugte und spirituelle Schwingungen hervorrief. Fast 80 Prozent der Probanden gaben an, religiöse Erlebnisse gehabt zu haben.
Kritik und alternative Deutungen
Kritiker haben Forschern wie Newberg und Persinger vorgehalten, dass in ihren Versuchen weniger die Magnetstimulation wirkt, sondern der Wunsch zu glauben, die Kraft der religiösen Überzeugung. Andere Neurowissenschaftler deuten solche religiösen Phänomene ausschließlich als Illusionen, die das Gehirn aufgrund mehr oder weniger pathologischer Vorgänge erzeuge und die auch durch chemische Mittel oder besondere Atem- und Entspannungstechniken und anderes produziert werden können.
Die Bedeutung von Gefühlen
Die neuen Methoden bildgebender Verfahren geben nicht nur Auskunft darüber, welche verschiedenen Regionen des Gehirns bei unterschiedlichen Formen religiösen Erlebens beteiligt sind, sondern auch über die Intensität und Tiefe religiösen Erlebens, die mit unterschiedlich starken Hirnaktivitäten zusammenhängen können, aber nicht müssen. Diese Erkenntnisse machen vor allem auf die Bedeutung der Gefühle für unser ganzes Leben aufmerksam. Die Prägekraft religiösen wie jeden anderen Erlebens hängt stark von seiner Besetzung mit Gefühlen ab.
Die Frage nach einer transzendenten Wirklichkeit
Einige Wissenschaftler vertreten die These, dass das Gehirn offen, gleichsam ein Empfänger ist für religiös-transzendente Wirklichkeiten außerhalb des Gehirns. Sie gehen davon aus, dass es eine geistig eigenständige irdische Wirklichkeit gibt, die eine religiös-transzendente Wirklichkeit wahrnehmen kann. Die Biologie des Gehirns sei gleichsam ein Empfangsorgan für sie. Die wahrscheinlichste Erklärung für diese Offenheit des Gehirns sei, dass es diese Wirklichkeit auch außerhalb des Gehirns gibt, denn sonst hätte sich diese Fähigkeit in der Evolution nicht entwickelt.
Die Grenzen der Neurotheologie
Der Innsbrucker Jesuit Hans Goller betont, dass die Neurotheologie nicht mehr machen kann als die Hirnforschung ganz allgemein, nämlich schauen: Was passiert im Gehirn? Gibt es bestimmte, besondere Aktivitätsmuster, die mit religiösem Erleben einhergehen? Mit diesen bildgebenden Verfahren hat man keinen direkten Zugang zum Inhalt des Bewusstseins. Die bunten Hirnbilder sagen uns nichts darüber aus, wie es ist, sich zu freuen, sich zu ärgern, über etwas nachzudenken, und auch nichts darüber, wie es ist, ein religiöses Erlebnis zu haben oder sich in einem besonderen meditativen Zustand zu befinden.
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Weitere Aspekte der neuronalen Informationsverarbeitung
Die Rolle der Dendriten
Ähnlich wie Handys, Autos und Wolkenkratzer besitzen die Nervenzellen in unseren Gehirnen spezielle Strukturen, um Signale einzufangen: die Dendriten. Die feinsten dendritischen Verästelungen, die seitlich aus den dickeren Hauptästen sprießen, sind bis zu 0,1 Mikrometer dick - also etwa ein Tausendstel so dick wie ein menschliches Haar - und auch nur wenige Mikrometer lang. Große Nervenzellen wie die Purkinje-Zellen im Kleinhirn besitzen Tausende dieser Dornfortsätze oder "Spines" (englisch für Dornen). Mit seinem weit verzweigten Dendritenbaum weist ein Neuron eine deutlich größere Oberfläche auf als eine kugelförmige Zelle mit dem gleichen Volumen, bietet für Nachbarzellen also viel Platz zum Andocken.
Wahrnehmung und das Gehirn
Unsere Augen bewegen sich häufiger als unser Herz schlägt. Damit bewegt sich auch ständig die Umwelt über unsere Netzhaut. Trotzdem nehmen wir unsere Umwelt stabil wahr, denn unsere Wahrnehmung wird aktiv vom Gehirn konstruiert.
Die Bedeutung von Emotionen
Das Kuschelhormon Oxytocin zementiert nicht nur die Beziehung und nimmt Ängste, es stärkt auch unsere Empathie und macht es uns leichter, uns in andere Menschen einzufühlen. Studien haben gezeigt, dass Genvarianten für einen Rezeptor des Oxytocins unsere Empathie-Fähigkeit beeinflussen. Menschen mit einem höheren Oxytocin-Gehalt im Blut reagieren stärker auf soziale Signale.
Das Gehirn und soziale Wahrnehmung
Forschende beschäftigen sich seit Jahrzehnten mit der Frage, wie Menschen Gesichter verarbeiten und zu Urteilen gelangen, ob andere sich gut oder schlecht fühlen, erregt sind oder entspannt. Dabei liegt der Fokus traditionell auf der Augen- und der Mundregion, die sich als besonders wichtig für solche Wahrnehmungseindrücke erwiesen haben.
Weitere Sinnesleistungen
Nachtfalter halten sich während des Fluges mit hochentwickelten Sinnesorganen in ihren Fühlern im Gleichgewicht. Die Sensoren im unteren Teil dieser Antennen können Drehbewegungen wahrnehmen und verhindern, dass die Insekten bei Luftturbulenzen aus der Flugbahn geworfen werden.
Geschlechterunterschiede im Gehirn?
Die US-Forscherin Louann Brizendine behauptet in ihrem Buch „The Female Brain“, dass Hormone bereits vor der Geburt dafür sorgen, dass sich Mann und Frau auseinanderentwickelten. Bei männlichen Föten zerstöre das Hormon Testosteron massenhaft Zellen im Kommunikationsareal des Gehirns. Dafür entwickelte es ein ausgeprägtes Aggressions- und Sexualzentrum. Das weibliche Gehirn hingegen besitze von Geburt an über elf Prozent mehr Nervenzellen in dem Bereich, in dem Gefühle verarbeitet werden.
Brizendines Thesen sind jedoch umstritten. Der Phonetiker Mark Liberman von der University of Philadelphia bemängelt, dass ihre Quellen fehlerhaft seien. Verlässliche Angaben über die Menge der von den Geschlechtern benutzten Wörter gebe es überhaupt nicht.